CN111600328A - 用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置及控制方法 - Google Patents

用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置及控制方法，功率平衡装置包括串联的开关级、触发级以及耗能级。其中，开关级由至少一个全控型大功率电力电子器件以及避雷器MOA1并联组成。触发级由预充电电容和多个晶闸管串并联组成，晶闸管的数量根据MMC端口的电压决定，避雷器MOA2并联于触发级两端。耗能级由三组电阻并联构成，其中两组耗能支路由电阻与晶闸管串联构成。采用本发明所提的可以有效的实现运行过程中的功率盈余，不仅可以实现系统的交流故障穿越，且可以在严重故障中降低换流器的过电压水平。本方案中采用常规的晶闸管器件和避雷器，可靠性比较高，且一次设备成本非常低，并未对二次系统提出额外要求，工程中经济性比较好。

Description

用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置及控制方法
技术领域
本发明属于新能源及电力工程技术领域，具体涉及一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置及控制方法。
背景技术
随着电力技术的不断发展，海上风力发电容量在不断扩大，尤其是远海地区风力资源的有效开发利用越远越多。而且新能源场的开发对于解决能源危机有着重要的意义随着能源问题的日益加剧，开发利用新型清洁能源已经成为世界上的热点问题。新能源技术即将迎来全面的爆发，未来几年将会有大量的新能源项目开始运行。并网运行成为了大规模利用风能的最有效方式，基于模块化多电平换流器(MMC)的新能源柔性直流接入系统更加适合长距离、大规模新能源接入系统。
近几年随着陆上柔性直流输电工程的不断投运，MMC技术也逐步成熟，但是由于海上换流站具有维护成本高、周期长以及难度大等的特点。海山风电柔性直流送出系统的安全稳定运行始终是大容量新能源送出方案设计的关键技术，目前还存在很多难题。其中，由于海上换流站处于孤岛运行状态，需要通过MMC控制交流侧电压。由于风机的运行惯性比较大导致海上风场的调节和控制速率比较慢，而MMC调节和控制的速率比较快。因此在运行过程，比较容易导致直流系统中出现功率盈余，如果盈余功率不能有效的消耗，将会导致MMC出现停运甚至损害等问题。
当前的研究方向主要以半桥或者全桥型模块为基础的分布式耗能装置，或者器件串联型的集中式耗能装置。采用模块化的分布式耗能装置，成本比较高，且由于采用了大量的全控型器件，因此系统的可靠性比较低。而器件串联的集中式耗能装置，制造难度大，且全控型器件直接串联方式的可靠性非常低。
发明内容
本发明提供了一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置及控制方法，以解决新能源柔直送出系统出现的功率盈余问题，进而实现系统稳定运行和暂态故障穿越。
为达到上述目的，本发明一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置，包括串联的开关级、触发级以及耗能级，开关级包括至少一个全控型电力电子器件，当全控型电力电子器件的数量大于1时，所有的全控型电力电子器件并联；触发级包括N个串联的全控型电力电子器件，N个串联的全控型电力电子器件形成的支路和预充电电容CF并联；耗能级包括三条并联的耗能支路，其中至少两条耗能支路包括晶闸管TR。
进一步的，开关级和避雷器MOA1并联，触发级和避雷器MOA2并联。
进一步的，开关级的全控型电力电子器件为IGBT。
进一步的，触发级的全控型电力电子器件为晶闸管。
进一步的，耗能级中，第一条耗能支路包括串联的电阻R1和晶闸管TR1，第二条耗能支路包括串联的电阻R2和晶闸管TR2，第三条耗能支路包括串联的电阻R3。
进一步的，电阻R1、电阻R2和电阻R3的阻值相等。
基于上述的一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置的运行方法，其特征在于，
1)当柔直送出系统处于稳态时，开关级、触发级以及耗能级均处于关断状态；
2)当陆上换流站端口电压UXN大于定值电压UT时，触发导通开关级和触发级中所有的全控型电力电子器件；并判断故障类型，根据故障类型确定耗能级的运行状态：
2.1)当柔直送出系统发生永久性故障时，耗能级的两个晶闸管TR同时触发导通，且功率平衡装置不再进行切除和恢复运行操作，保持导通投入状态，等待系统控保指令；
2.2)当系统发生交流系统暂时性故障时，根据不同的故障类型进行耗能级中的晶闸管触发；
3)当陆上换流站端口电压UXN小于切除电压UG，且小于切除电压UG的持续时间大于系统恢复定值Ts时：关断触发级和开关级所有的全控型电力电子器件。
进一步的，当系统发生交流系统暂时性故障时，耗能级中的晶闸管触发按照下述方式进行：当陆上换流站发生单相接地故障时，晶闸管TR1和晶闸管TR2均不触发导通；当系统发生两相短路故障时，晶闸管TR1或晶闸管TR2触发导通；当系统中发生三相交流故障，晶闸管TR1和晶闸管TR2同时触发导通。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
当新能源柔直送出系统出现的功率盈余时，导通开关级和触发级，使电流流向耗能级，由耗能级中的电阻进行功率消耗，以平衡新能源柔直送出系统出现的功率盈余，进而实现系统稳定运行和暂态故障穿越等，从而有效的降低MMC子模块电流应力和电压应力，通过该装置可以保证新能源柔性直流送出系统的稳定性以及换流器的安全性。应用于工程实际中接线方式简洁、实现过程简单、设备可靠性高，工程实现的技术成本非常低，具有较好经济性。
开关级和触发级两级触发的设置，可以有效避免误触发，运行过程中稳定性高；开关级和触发级结合全控型器件的灵活性以及常规设备的安全性，运行过程中可靠性高。
功率平衡装置可根据系统故障情况，调节耗能级的阻值，能够根据不同类型的故障进行功率的分配和平衡，有利于系统稳定性以及设备安全性。不需要控制保护系统做额外的操作，也不需要停机，对一次系统中的设备和控制保护系统不会产生影响或者要求。且利用技术成熟、价格低廉的晶闸管和避雷器完成相关功能，实际工程中可靠性高。
进一步的，开关级和避雷器MOA1并联，所述触发级和避雷器MOA2并联，在触发导通中避雷器MOA1和避雷器MOA2中有电流流过，避雷器MOA1和避雷器MOA2起限制电压，泄放能量的作用。
进一步的，触发级的全控型电力电子器件为晶闸管，晶闸管过压过流能力强，不容易损坏，技术成熟，成本低。
本发明的功率平衡装置的运行方法，根据换流站端口电压UXN和定值电压UT的大小关系，来判断是开通还是关断开关级和触发级，当出现功率盈余，通过耗能级泄放盈余的功率，从而实现系统的交流故障穿越，实现系统平稳恢复。操作方便，大大提高了柔性直流送出系统的可靠性。
进一步的，当陆上换流站发生单相接地故障时，两个耗能支路中的晶闸管TR1和晶闸管TR2均不触发导通；当系统发生两相短路故障时，耗能级中晶闸管TR1或者晶闸管TR2触发；当系统中发生三相交流故障，耗能级中晶闸管TR1和晶闸管TR2同时触发；根据系统所需要泄放的能量的大小来调节投入耗能级中的电阻数量，进而调整耗能级的总阻值，达到调节泄放能量大小的目的。
附图说明
图1所示为新能源柔性直流送出系统的典型拓扑；
图2所示为新能源柔性直流送出系统中功率盈余的发生过程；
图3所示为新能源柔直系统功率盈余带来的设备安全问题；
图4所示为适用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置；
图5所示为高可靠性功率平衡装置的控制流程。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
首先结合图1说明中新能源柔性直流送出系统的运行特性以及本发明的设计原理。
图1所示为新能源柔性直流送出系统的典型拓扑。
典型的新能源柔直送出系统由海上风场、交流汇集系统、交流升压站、海上换流站、直流输电系统、以及陆上换流站组成，其中海上换流站的换流阀等设备均位于海上平台。各个风电场通过新能源汇集系统将功率进行汇集，汇集系统一般采用交流汇集的方式。
通过多回交流海底电缆将海上各个风电场的功率进行汇集至升压站，新能源场的功率表示为Pwind。升压站完成功率的汇集和电压变化后，通过交流海底电缆将交流功率传输至海上柔直换流站。海上柔直换流站将交流功率变换为直流功率Pdc；通过直流海底电缆将功率传输至陆上柔直换流站；陆上换流站将直流功率转换至交流功率并传输至当地电网。
运行过程中，海上换流站采用定交流电压的运行方式，换流站采用定直流电压的运行方式。直流系统电压稳定的情况下，海上换流站可以为新能源场提供稳定的交流电压，以保证新能源功率的送出。
根据MMC的特性，在运行过程中可以实现四象限运行控制。两端换流站中的MMC通过对送端MMC交流侧的有功功率P1、送端MMC交流侧的无功功率Q1、受端MMC交流侧的有功功率P2和受端MMC交流侧的无功功率Q2的控制实现功率的传输。
送端换流器的功率关系如下所示：
Figure BDA0002516805400000061
在上式中，Us1为海上换流站交流系统电压，UMMC1为海上换流站MMC交流侧输出电压值，X1为海上换流站系统连接阻抗。柔直换流器采用矢量控制方式，控制系统由内环电流控制器和外环功率控制组成。
在运行过程中，可以通过对功率角δ1和海上换流站MMC交流侧输出电压幅值UMMC1的控制实现换流器的四象限运行。对于海上换流站MMC主要对海上换流站交流系统Us1进行控制，为风电场运行提供一个稳定交流电压进而实现功率的输出。
当海上换流站或者海上交流系统出现故障时导致MMC对海上换流站交流系统电压Us1失控或者控制能力下降，则风电场传输至MMC的功率降低，因此导致直流系统传输的功率Pdc降低。在运行过程中，当陆上换流站或者陆上交流系统出现故障时导致MMC对陆上换流站MMC直流侧输入电压UMMC2失控或者控制能力下降，导致并网点传输功率P2的降低，引起柔直系统中的功率盈余。
以下结合图2说明新能源柔直系统功率盈余的发生过程。
海上风柔直送出系统的最终目的是将新能源场的电能送到陆上，将电能传送至陆上当地大电网。陆上换流站一般与当地220kV或者500kV交流电网相连，因此陆上站联结变压器交流侧一般为架空线输电线路。
海上站交流系统系统故障生后，需要风电场配合进行低电压穿越等运行方式，MMC交流侧电压失控，MMC需要配合风电场进行故障穿越，送端功率降低，不会造成直流系统公里处盈余。
如图2所示，在陆上交流系统中故障的发生概率比较高，常见的架空线故障为单相接地、两相短路、三相短路等。且暂时性的故障较多，故障发生以及恢复过程中，陆上MMC功率消纳的能力相应降低。而由于站间通信和风电场惯性等原因，送端故障不能及时降低，随之产生盈余。
另外，当陆上换流站发生站内故障时，换流站会迅速启动闭锁停机控保流程，导致陆上换流站消纳功率的能力完全丢失，因此导致直流系统中出现瞬间的功率盈余。
以下结合图3说明直流侧功率盈余带来的系统问题。图3所示为新能源柔直系统功率盈余带来的设备安全问题。
结合上述分析可以得知，由于新能源柔直送出系统的特殊性，陆上站发生故障时，容易在直流侧产生较大的功率盈余。
由于MMC拓扑自身的特性，当直流系统中存在较大的功率时，上桥臂子模块通过正极UPGL、反并联二极管以及阀侧交流系统uv形成上桥臂子模块Usmup的充电回路。下桥臂通过正极UNGL、反并联二极管以及阀侧交流系统uv形成下桥臂子模块Usmdown的充电回路。
当MMC的功率消纳能力降低时，直流侧盈余的功率将通过充电回路将功率以电场形式存储于MMC子模块电容中。
陆上换流站故障后，MMC子模块电压以及盈余功率的关系如下所示：
Figure BDA0002516805400000081
在上式中，wΔ为盈余功率PΔ造成的盈余能量；Usm1为稳态运行过程中的MMC子模块电压值，由MMC端口电压和桥臂子模块个数决定，正常运行过程中该值为常数；Csm为MMC子模块电容值，Δu为MMC子模块电压的增加量。
交流故障发生后，功率盈余导致MMC子模块电容的上升，会触发子模块的电压保护，进而引起换流站闭锁，导致直流电压彻底失控，进一步导致海上换流站闭锁，柔直系统无法进行故障穿越。
陆上换流站内严重故障发生时，由于盈余功率持续时间较长且盈余功率较大，在陆上换流站闭锁后，盈余功率仍然通过图3所示的回路对子模块电容进行充电，造成子模块发生严重的过电压，将造成海上站和陆上站的MMC子模块旁路开关动作，严重情况下将导致换流器设备的损坏。
针对上述问题的解决方案，关键是保证直流系统盈余功率PΔ不要存储于MMC子模块电容中。
以下结合图4说明本发明提供的功率平衡装置。
如前所述，新能源柔性直流送出系统的直流功率盈余问题主要是因为陆上换流站故障导致功率消纳能力的降低，进而引起系统故障或者换流器设备故障。因此本发明所提的高可靠性功率平衡装置布置于陆上换流站直流侧，和陆上换流站直流侧的换流器并联。
高可靠性功率平衡装置由三部分串联组成：开关级、触发级以及耗能级。
其中，开关级由至少一个全控型大功率电力电子器件以及避雷器MOA1并联组成。大功率电力电子器件指额定电流在1000A及以上级别的电力电子器件。稳态运行过程中并联的全控型电力电子器件均处于关断状态。当需要导通时，几个器件同时触发导通。
触发级由预充电电容CF和晶闸管串并联组成，预充电电容CF和开关KC串联，开关通过KC的关断或者接通控制预充电电容CF和晶闸管串是否并联；晶闸管串包括N个串联的晶闸管，晶闸管的数量N根据MMC端口的电压决定；触发级与避雷器MOA2并联。稳态运行过程触发级均处于关断状态，门极触发脉冲关断。当需要触发时，触发级中所有晶闸管同时触发导通。并联的预充电电容CF为晶闸管关断过程中提供反向电压。
耗能级由三条耗能支路并联构成，其中第一条耗能支路包括串联的电阻R1和晶闸管TR1，第二条耗能支路包括串联的电阻R2和晶闸管TR2，第三条耗能支路包括电阻R3。耗能支路主要承担功率的调节和分配。当陆上换流站发生单相接地故障时，两个耗能支路中的晶闸管TR1和TR2均不触发导通。其中，电阻R1、电阻R2和电阻R3三者之间，任意一个阻值均在另外两个电阻的阻值的80％～120％之间。优选的，电阻R1、电阻R2和电阻R3的阻值相等。
当系统发生两相短路故障时，耗能级中晶闸管TR1或者TR2触发；当系统中发生三相交流故障或者站内严重故障时，耗能级中晶闸管TR1或者TR2同时触发。
为了说明本发明所提功率平衡装置的运行过程，以下结合图5说明下高可靠性功率平衡装置的运行过程。设该功率平衡装置中电阻R1、电阻R2和电阻R3的阻值相等。
当新能源柔直送出系统处于稳态时，开关级、触发级以及耗能级均处于关断状态，此时耗能级不发挥作用。
当检测到陆上换流站端口电压UXN大于定值电压UT时，触发导通开关级，并且触发导通触发级中所有的晶闸管。由于晶闸管的导通速度比较慢，因此在触发导通过程中避雷器MOA1和避雷器MOA2中均有电流流过。
对新能源柔直送出系统故障特性进行判断，当系统发生永久性故障时，耗能支路的晶闸管TR1和晶闸管TR2同时触发导通。且功率平衡装置不再进行切除和恢复运行操作。保持导通投入状态，等待系统控保指令。
当系统发生交流系统暂时性故障以及恢复过程中，根据不同的故障类型进行耗能支路的晶闸管TR1和晶闸管TR2的触发控制：
当陆上换流站发生单相接地故障时，两个耗能支路中的晶闸管TR1和晶闸管TR2均不触发导通，此时耗能级的总阻值为R，耗能级消耗掉的能量为U2/R＝U2/R3；
当系统发生两相短路故障时，耗能级中晶闸管TR1或者晶闸管TR2触发，此时耗能级由电阻R3和电阻R1的并联形成，或者由电阻R3和电阻R2并联形成，耗能级的总阻值R为0.5×R3，耗能级消耗掉的能量为U2/R＝2U2/R3，U为直流系统端口电压；
当系统中发生三相交流故障，耗能级中的晶闸管TR1和晶闸管TR2同时触发，此时耗能级中的电阻R3、电阻R2和电阻R1三者并联，耗能级的总阻值R为(1/3)×R3，耗能级消耗掉的能量为U2/R＝3U2/R3，U为直流系统端口电压。
在系统发生交流系统暂时性故障以及恢复过程中，功率平衡装置根据陆上换流站端口电压UXN的变化操作。
当陆上换流站端口电压UXN小于切除电压UG，且小于切除电压UG的持续时间大于系统恢复定值Ts时；关断所有触发级的触发脉冲，同时关断开关级的全控型电力电子器件——IGBT。如果恢复正常运行，陆上换流站端口电压UXN处于稳定状态，功率平衡装置切除运行。
否则，持续当前动作动作。
当系统仍然存在故障(系统疾控中心给故障信号信号，或者根据陆上换流站端口电压电压UXN＜切除电压UG则判断为仍然存在故障)，功率平衡装置再次进入投入运行状态。并根据故障类型进行相关的投入操作。
采用本发明所提供的高可靠性功率平衡装置，可以有效的实现新能源柔直送出系统在运行过程中出现的直流侧功率盈余，不仅可以实现系统的交流故障穿越，且可以在严重故障中降低换流器的过电压水平。本方案中采用常规的晶闸管器件和避雷器，可靠性比较高，且一次设备成本非常低，并未对二次系统提出额外要求，工程中经济性比较好。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置，其特征在于，包括串联的开关级、触发级以及耗能级，所述开关级包括至少一个全控型电力电子器件，当全控型电力电子器件的数量大于1时，所有的全控型电力电子器件并联；触发级包括N个串联的全控型电力电子器件，所述N个串联的全控型电力电子器件形成的支路和预充电电容CF并联；所述耗能级包括三条并联的耗能支路，其中至少两条耗能支路包括晶闸管TR。
2.根据权利要求1所述的一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置，其特征在于，所述开关级和避雷器MOA1并联，所述触发级和避雷器MOA2并联。
3.根据权利要求1所述的一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置，其特征在于，所述开关级的全控型电力电子器件为IGBT。
4.根据权利要求1所述的一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置，其特征在于，所述触发级的全控型电力电子器件为晶闸管。
5.根据权利要求1所述的一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置，其特征在于，所述耗能级中，第一条耗能支路包括串联的电阻R1和晶闸管TR1，第二条耗能支路包括串联的电阻R2和晶闸管TR2，第三条耗能支路包括串联的电阻R3。
6.根据权利要求5所述的一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置，其特征在于，所述电阻R1、电阻R2和电阻R3的阻值相等。
7.基于权利要求1所述的一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置的运行方法，其特征在于，
1)当柔直送出系统处于稳态时，开关级、触发级以及耗能级均处于关断状态；
2)当陆上换流站端口电压UXN大于定值电压UT时，触发导通开关级和触发级中所有的全控型电力电子器件；并判断故障类型，根据故障类型确定耗能级的运行状态：
2.1)当柔直送出系统发生永久性故障时，耗能级的两个晶闸管TR同时触发导通，且功率平衡装置不再进行切除和恢复运行操作，保持导通投入状态，等待系统控保指令；
2.2)当系统发生交流系统暂时性故障时，根据不同的故障类型进行耗能级中的晶闸管触发；
3)当陆上换流站端口电压UXN小于切除电压UG，且小于切除电压UG的持续时间大于系统恢复定值Ts时：关断触发级和开关级所有的全控型电力电子器件。
8.根据权利要求7所述的一种用于新能源柔直送出系统的功率平衡装置的运行方法，其特征在于，
所述耗能级包括三条并联的耗能支路，其中第一条耗能支路包括串联的电阻R1和晶闸管TR1，第二条耗能支路包括串联的电阻R2和晶闸管TR2，第三条耗能支路包括串联的电阻R3；
当系统发生交流系统暂时性故障时，耗能级中的晶闸管触发按照下述方式进行：
当陆上换流站发生单相接地故障时，晶闸管TR1和晶闸管TR2均不触发导通；
当系统发生两相短路故障时，晶闸管TR1或晶闸管TR2触发导通；
当系统中发生三相交流故障，晶闸管TR1和晶闸管TR2同时触发导通。
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